JPH0954040A - 呼気中成分の光学的測定方法 - Google Patents

呼気中成分の光学的測定方法

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JPH0954040A
JPH0954040A JP7225899A JP22589995A JPH0954040A JP H0954040 A JPH0954040 A JP H0954040A JP 7225899 A JP7225899 A JP 7225899A JP 22589995 A JP22589995 A JP 22589995A JP H0954040 A JPH0954040 A JP H0954040A
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raman spectrum
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concentration
neighborhood
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JP7225899A
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Inventor
Kaoru Ou
Kentaro Shimada
Akinaru Toku
Seizo Uenoyama
Hiroshi Yamamoto
晴三 上野山
博司 山本
健太郎 島田
かおる 王
暁鳴 竇
Original Assignee
Kdk Corp
株式会社京都第一科学
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using infra-red, visible or ultra-violet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRA-RED, VISIBLE OR ULTRA-VIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/44Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ラマン分光法を利用した、短時間で、直接的
に、呼気中成分を定量でき、消耗品も不要な測定方法を
提供すること。 【構成】 呼気中の測定しようとする各成分について、
その成分の濃度とラマンスペクトル強度の間の相関が良
好な波長をその成分に固有の測定波長として予め選択
し、呼気検体に対しラマン励起光を照射し、窒素に固有
の測定波長でのラマンスペクトルと、測定しようとする
各成分についてのそれぞれ予め選択された測定波長での
ラマンスペクトルを測定し、窒素のラマンスペクトル強
度に対する各成分のラマンスペクトル強度比を求め、各
成分についての窒素とのラマンスペクトル強度比と濃度
について予め作成した検量線を用いて呼気中の各成分を
定量分析する。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は臨床検査の分野にお
いて、ラマン光を利用して呼気中成分、例えばアセト
ン、アセトアルデヒド、イソプレン、アンモニア、酪
酸、吉草酸、酸素、窒素、二酸化炭素などの濃度(存在
量や存在比)を比較的安価な装置で、しかも短時間に測
定する方法に関するものである。

【0002】

【従来の技術】呼気中には血液や尿と同じように、40
0種類以上の揮発性化合物が含まれている。これらの呼
気中成分は糖尿病、肝・腎障害、先天性アミノ酸代謝異
常、腸内発酵、糖質吸収不全、生体内脂質過酸化などの
各種疾病や化学物質による中毒などと深く関係している
ことが明らかになりつつある。また、これらは特有の臭
気によって臨床診断学上からも極めて重要な物質となっ
ている。呼気検査のメリットは非侵襲で、血液などに較
べて検体採取の容易さにあり、被検者の身体的かつ精神
的負担を軽減できる。

【0003】被検ガス中成分の分析方法としては、ガス
クロマトグラフィー及びガスクロマトグラフィー質量分
析計(GC−MS)法、タンデムマススペクトロメトリ
ー法、IR法、半導体センサー法などがある。ガスクロ
マトグラフィー及びガスクロマトグラフィー質量分析計
法は、何らかの手段で濃縮させた呼気検体をガスクロマ
トグラフ又はガスクロマトグラフィー質量分析計で分離
精製後定量する。ガスクロマトグラフの検出器としては
水素炎イオン化検出器(FID)が主で、その他、炎光
光度検出器(FPD)、光イオン化検出器(PID)な
どがある。

【0004】水素炎検出器は多くの化合物の定量が可能
であるが、無機化合物や硫化物に対して感度が低い。炎
光光度検出器は硫化物に対しては水素炎検出器より高感
度であり、光イオン化検出器はハロゲン化炭化水素と不
飽和化合物に対しては水素炎検出器より高感度である。

【0005】概してガスクロマトグラフィー及びガスク
ロマトグラフィー質量分析計法は、装置の使用にあたり
頻繁に校正と保守が必要になり、また各物質に対して検
出器により感度に違いがあるため、汎用法としての使用
が困難であるという欠点がある。しかも高価な装置が必
要であり、操作も煩雑である。

【0006】タンデムマススペクトロメトリー法は近年
開発された分析技術であり、質量−電荷比に基づいて化
合物の分離を行うことが出来る。このためガスクロマト
グラフィー等による分離が不要で、高感度であるが、装
置が極めて高価格である。

【0007】IR法は多成分の同定と高感度の定量が可
能である。しかし、炭化水素のように分子構造が類似し
ているものや同じ置換基を持つ化合物を含むサンプルの
スペクトルはかなり類似しており、それぞれを識別する
ことは困難である。

【0008】半導体センサー法で用いるセンサーは、半
導体材料として酸化チタンや酸化第二銅といった酸化物
を用い、これを熱処理により非化学量論組成酸化物にし
て半導体特性を付与して製造したものである。このセン
サーは被検ガスが半導体に吸着すると半導体中のバンド
構造が変化し、電気抵抗や電気容量が変化することを利
用して、その電気特性の変化から被検ガスを検知する。
半導体センサーは原理上酸素分圧に対しても敏感で、検
知ガスのみならず酸素分圧によっても電気抵抗や電気容
量が変化するため、酸素が存在してその分圧が変化する
ような環境下では、信頼性の点で問題がある。

【0009】また、ラマン分光法を利用した方法もあ
る。特開平6−229914号公報及び特開平6−22
9915号公報には、高出力光パルス発生器の出力をラ
マンファイバ−に入射させ、光出力の変化からガスの有
無を検出するガス検出器が記載されており、特開平6−
242002号公報には、気道内の混合ガスの組成及び
濃度を測定する方法が記載されている。前者はガスの有
無の確認のみで、濃度測定や各種成分の同定には及んで
おらず、後者は手術時の麻酔の制御・調節のための麻酔
モニターである。呼気中の各種成分の検出や濃度の測定
を行う臨床的検査方法としてのラマン分光法の利用はい
まだなされていない。

【発明が解決しようとする課題】

【0010】呼気を検体とした場合、定量測定を行うに
は測定呼気容量を厳しく制御して一定に保たねばならな
い。しかし、肺活量等の要因によりヒトが一回の呼吸で
吐き出す呼気の量には個人差が大きく、また対象が気体
であるゆえ、一定量を採取するのは容易ではない。本発
明は、呼気中成分、例えばアセトン、アセトアルデヒ
ド、イソプレン、アンモニア、酪酸、吉草酸、酸素、窒
素、二酸化炭素などの濃度(存在量、存在比)を測定す
る際に、比較的安価で、短時間で簡便に、各成分の濃度
を測定する方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】上記課題を解決するため、本発明の第1の
方法では、呼気中の各成分がそれぞれ固有のラマンスペ
クトルを持ち、そのため混合ガス中での各成分の識別や
濃度の測定が可能なことを利用するとともに、呼気採取
量の変動を補正するために呼気中の窒素濃度を基準とし
て各成分を定量測定する。空気中に体積で約78%を占
める窒素は、呼吸などで肺内に吸入されても、代謝され
ずに排出される。それ故、排出された呼気中の窒素の濃
度は、ほぼ一定であり、個人差も少ない。つまり、濃度
の安定した窒素を対照成分として利用することで、個人
差を排除して他の呼気中成分の濃度を測定し、データの
絶対値化を図るものである。

【0012】すなわち、本発明の第1の方法は、呼気中
の測定しようとする各成分について、その成分の濃度と
ラマンスペクトル強度の間の相関が良好な波長をその成
分に固有の測定波長として予め選択し、呼気検体に対し
ラマン励起光を照射し、窒素に固有の測定波長でのラマ
ンスペクトルと、測定しようとする各成分についてのそ
れぞれ予め選択された測定波長でのラマンスペクトルを
測定し、窒素のラマンスペクトル強度に対する各成分の
ラマンスペクトル強度比を求め、各成分についての窒素
とのラマンスペクトル強度比と濃度について予め作成し
た検量線を用いて呼気中の各成分を定量分析する測定方
法である。

【0013】本発明の第2の方法では、呼気中の各成分
がそれぞれ固有のラマンスペクトルを持ち、そのため混
合ガス中での各成分の識別や濃度の測定が可能なことを
利用するとともに、呼気採取量の変動を補正するために
複数成分の濃度比を求める。すなわち、本発明の第2の
方法は、呼気中の測定しようとする複数成分について、
各成分の濃度とラマンスペクトル強度の間の相関が良好
な波長をその成分に固有の測定波長として予め選択し、
呼気検体に対しラマン励起光を照射し、その複数成分に
ついてのそれぞれ予め選択された測定波長でのラマンス
ペクトルを測定し、その複数成分のラマンスペクトル強
度から、各成分についてラマンスペクトル強度と濃度に
ついて予め作成した検量線を用いてその複数成分の濃度
比を求める測定方法である。

【0014】各成分の濃度とラマンスペクトル強度の間
の相関が良好な波長は、相関係数R2が0.8以上、好ま
しくは0.9以上の波長である。ここで、相関係数R
2は、各成分を単独で含む複数濃度の試料について測定
し、次の(1)式により算出される値である。 R2={Σ[(xi−X)(yi−Y)]}2/{[Σ(xi−X)2][Σ(yi−Y)2]} ……(1) xi:各成分の各点の濃度 yi:xiに対するラマンスペクトル強度 X :各成分の濃度の平均値 Y :ラマンスペクトル強度の平均値

【0015】測定しようとする呼気中の成分として、酸
素、窒素、二酸化炭素、水蒸気、アセトン、アセトアル
デヒド、アンモニア、イソプレン、イソ−酪酸、n−酪
酸、イソ−吉草酸、n−吉草酸、プロピオン酸、エタノ
ール等を含んでいる。各成分の好ましい測定波長は上記
(1)式の相関係数R2が0.9以上の波長であり、それ
らを波数で示すと、酸素に対しては、1530〜1590cm-1
付近から選択し、窒素に対しては、2304〜2364cm-1
近から選択し、二酸化炭素に対しては、1255〜1315cm
-1付近又は1335〜1415cm-1付近から選択し、アセトン
に対しては、751〜811cm-1付近、1706〜1766cm-1
近、2680〜2740cm-1付近、2830〜2967cm-1付近又は
2967〜3054cm-1付近から選択し、アセトアルデヒドに
対しては、488〜518cm-1付近、841〜901cm-1付近、
895〜955cm-1付近、1084〜1144cm-1付近、1369〜14
68cm-1付近、1722〜1782cm-1付近、2666〜2786cm
-1付近、2786〜2890cm-1付近又は2906〜2966cm-1
近から選択し、イソプレンに対しては、494〜585cm-1
付近、751〜811cm-1付近、924〜1042cm-1付近、104
7〜1107cm-1付近、1273〜1343cm-1付近、1358〜146
3cm-1付近、1619〜1679cm-1付近、2715〜2775cm-
1付近、2849〜2909cm-1付近、2896〜2975cm-1
近、2975〜3059cm-1付近、3074〜3144cm-1付近又は
3466〜3526cm-1付近から選択し、アンモニアに対して
は、3198〜3258cm-1付近又は3315〜3375cm-1付近か
ら選択し、イソ−酪酸に対しては、1254〜1314cm-1
近、1357〜1417cm-1付近又は2871〜3018cm-1付近か
ら選択し、n−酪酸に対しては、2866〜2926cm-1
近、2951〜3011cm-1付近又は3011〜3067cm-1付近か
ら選択し、イソ−吉草酸に対しては、2829〜2889cm-1
付近、2951〜3011cm-1付近又は3011〜3067cm-1付近
から選択し、n−吉草酸に対しては、2945〜3005cm-1
付近又は3005〜3061cm-1付近から選択し、プロピオン
酸に対しては、2875〜2935cm-1付近又は2935〜2962c
m-1付近から選択し、エタノールに対しては、853〜913
cm-1付近、2852〜2910cm-1付近、2910〜3008cm-1
付近又は3630〜3690cm-1付近から選択することができ
る。これらの物質の定量測定に適したピーク位置を図1
6にまとめて示してある。図16の図表中の数値は全て
波数cm-1である。

【0016】酸素の1555cm-1付近のピークはO=Oから
の振動によるものと考えられる。窒素の2331cm-1付近
のピークはN≡Nからの振動によるものと考えられる。二
酸化炭素の1283cm-1付近のピーク及び1385cm-1付近
のピークは全対称伸縮振動によるものと考えられる。

【0017】アセトンの805cm-1付近のピーク、1080
cm-1付近のピーク、1429cm-1付近のピーク及び2940
cm-1付近のピークはCH3からの振動、1237cm-1付近
のピークはCH3Cからの振動、1710cm-1付近のピークは
COからの振動によるものと考えられる。

【0018】アセトアルデヒドの518cm-1付近のピー
ク及び1124cm-1付近のピークは C-C=Oからの振動、8
71cm-1付近のピークはCH3からの振動、925cm-1付近
のピーク、1438cm-1付近のピーク、2860cm-1付近の
ピーク及び2936cm-1付近のピークはCH3からの振動、1
399cm-1付近のピーク、2696cm-1付近のピーク及び2
817cm-1付近のピークはCHからの振動、1753cm-1
近のピークはC=Oからの振動、2725cm-1付近のピーク
及び2836cm-1付近のピークはCHからの共鳴によるもの
と考えられる。

【0019】イソプレンの524cm-1付近のピーク、555
cm-1付近のピーク及び1078cm-1付近のピークはCCC
からの振動、1002cm-1付近のピーク、1303cm-1付近
のピーク及び3104cm-1付近のピークはCHからの振動、
781cm-1付近のピーク、2926cm-1付近のピーク、300
1cm-1付近のピーク及び3029cm-1付近のピークはCH2
からの振動、954cm-1付近のピーク、1388cm-1付近
のピーク、1433cm-1付近のピーク、2879cm-1付近の
ピーク及び2945cm-1付近のピークはCH3からの振動、1
649cm-1付近のピークはCCからの振動によるものと考
えられる。

【0020】アンモニアの3228cm-1付近のピークはNH
2からの振動、3345cm-1付近のピークはNH3からの振動
であると考えられる。

【0021】イソ−酪酸の1284cm-1付近のピークはCO
OHからの振動、1387cm-1付近のピーク、2940cm-1
近のピーク及び2988cm-1付近のピークはCH3からの振
動、2901cm-1付近のピークはCH(CH3)2からの振動であ
ると考えられる。

【0022】n−酪酸の2896cm-1付近のピークはCH2
からの振動、2981cm-1付近のピークはCH3からの振
動、3037cm-1付近のピークはCOOHからの振動であると
考えられる。

【0023】イソ−吉草酸の2858cm-1付近のピークは
CHCH3とCH3からの振動、2981cm-1付近のピークはCH3
からの振動、3037cm-1付近のピークはCOOHからの振動
であると考えられる。

【0024】n−吉草酸の2975cm-1付近のピークはCH
3からの振動、3031cm-1付近のピークはCOOHからの振
動であると考えられる。

【0025】プロピオン酸の2906cm-1付近のピークは
CH2からの振動、2962cm-1付近のピークはCH3からの振
動、3037cm-1付近のピークはCOOHからの振動であると
考えられる。

【0026】エタノールの883cm-1付近のピークはCCO
からの振動、2883cm-1付近のピーク及び2978cm-1
近のピークはCH3からの振動、2940cm-1付近のピーク
はCH2からの振動であると考えられる。

【0027】本発明は呼気を検体とした臨床検査の手法
として使用する。呼気中には約400種類にものぼる生
体由来の化合物が存在している。大気中の主要成分であ
る窒素や酸素をはじめとして、二酸化炭素、アセトン、
エタノール、アセトアルデヒド、アンモニアなどが、呼
気中には含まれるが、各成分濃度については健常人であ
っても個人差がみられ、健常人とある疾患に罹患した患
者との間にも有意な差がみられるのが一般的である。ま
た各成分の呼気中含有濃度も、物質によりppmレベル
のものからppbレベルのものまで様々である。本発明
の第1の方法によれは、呼気中の窒素濃度を基準にする
ことによりこれらの各種成分の絶対濃度を求めることが
できる。

【0028】二酸化炭素は過換気症候群の指標である。
過換気症候群とは主として重症の神経症や若い女性のヒ
ステリーにより過剰換気が起こり、動脈血中から二酸化
炭素排泄量が異常に多くなり、重炭酸と炭酸の比が増加
してpHが上昇し、高度の呼吸アルカローシスを起こす
場合を言う。よって、排泄された呼気中の二酸化炭素濃
度が高ければ、過換気症候群であると判定できる。

【0029】呼気中のアセトンをはじめとするケトン体
は、その大部分が肝臓での脂質のβ−酸化反応の中間代
謝産物として生成する。糖尿病のような病理状態では、
大量の脂肪酸が利用されるため、生体が脂肪酸の代謝産
物を利用しきれず、肝臓からのアセトンが血中へ出現
し、血中濃度の増加と同時に呼気中アセトン濃度も増加
する。糖尿病、特にIDDM(インシュリン依存性糖尿
病)におけるインシュリン治療後、患者の血糖の利用が
増加するため、脂肪酸の酸化が減少する。そのため血中
脂肪酸の代謝産物であるケトン体濃度が減少し、呼気中
アセトン濃度も減少する。これは糖尿病の治療効果の判
定に有効な指標となり、また糖尿病患者の自己管理の指
標ともなり得る。さらに飢餓、過運動負荷、肥満の場合
のモニタまたは管理に有用である。

【0030】呼気中エタノール及びアセトアルデヒド
は、アルコール中毒症(酩酊症)の症例において、その
診断及びアルコール代謝の経過観察上、極めて有用であ
る。同様に先天性アセトアルデヒド分解酵素欠乏症にお
いても、呼気中アセトアルデヒド濃度の測定はその診断
に有効である。

【0031】肝臓疾患の際、アンモニアから尿素への代
謝が不可能となるために血中に滞まり、呼気中へのアン
モニア排出量が増加する。具体的には肝不全、腎不全
(尿毒症)の症例において、呼気中アンモニアが有意に
増加する。

【0032】酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸をはじ
めとするVFA(揮発性脂肪酸)は腸内微生物による食
物発酵作用によるものであり、肝臓疾患、アミノ酸代謝
異常などの場合、腸内微生物群のバランスが変化し、通
常の腸内VFA産生量が増加し、呼気中に排出される。

【0033】ある種の先天性疾患、例えば、フェニルケ
トン尿症(芳香族アミノ酸であるフェニルアラニンをチ
ロシンに転化するフェニルアラニン4−モノオキシゲナ
ーゼの遺伝的欠損症)やイソ吉草酸血症(ロイシン代謝
過程のイソバレリル-CoAデヒドロゲナーゼの遺伝的欠損
症)患者の呼気には特有な臭気があり、それは呼気中に
前者はフェニル酢酸が、後者はイソ吉草酸が排出される
ためである。

【0034】本発明の第2の方法により求められる複数
成分の濃度比は、呼吸商の測定の診断などに有用であ
る。呼吸商とは、個体が呼吸を営む際、酸素吸収量に対
する二酸化炭素呼出量の比(二酸化炭素呼出量/酸素吸
収量)を言う。二酸化炭素呼出量は呼気中の二酸化炭素
のラマンスペクトル強度から検量線を用いて二酸化炭素
濃度の相対値として求め、酸素吸収量はその呼気中の窒
素のラマンスペクトル強度から検量線を用いて求めた窒
素濃度の相対値に空気の窒素に対する酸素の比率をかけ
ることにより求めることができる。したがって、呼気中
の二酸化炭素と窒素のラマンスペクトル強度の測定から
呼吸商を求めることができる。呼吸商は飢餓状態では
0.8付近になり、糖尿病の際は低くなる。以下実施例
により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれ
に限定されるものではない。

【0035】

【実施例】ここで、本発明の測定法を実施するための測
定装置の例を図1と2に示す。図1は装置構成のブロッ
ク図であり、光源部1、試料部2、測定対象光学調整部
3、補正光学調整部4、分光検出部5及びデータ処理部
6からなる。図2に図1のブロック図を詳細に表した具
体的な例を示す。光源部1は、単一波長光を発生する励
起光源7と、励起光源7からの励起波長のみを透過さ
せ、その他の光は反射するバンドパスフィルター27
と、励起光源7からの光束を試料用光束24sと補正用
光束24rとに分割するハーフミラー9と、ハーフミラ
ー9を挟んで試料部2の試料11に試料用光束24sを
収束させるための光源集光レンズ8及び集光レンズ10
を備えている。

【0036】光源7としては、例えばレーザ装置が用い
られる。レーザ装置としては連続発振をするArイオン
レーザ、Krイオンレーザ、He−Neレーザ、He−
Cdレーザ、Nd:YAGレーザなど、又はパルスレー
ザなどを用いることができ、近紫外域から近赤外域に渡
る広い波長範囲のレーザから選択して利用することが出
来る。レーザ装置以外の光源としてハロゲンランプなど
の多波長光を発生する光源を分光器と組み合わせて用い
ることもできる。

【0037】試料部2には呼気試料11がセル26に入
れられて設置され、その呼気試料11に試料用光束24
sが照射される。呼気試料は例えばテドラーバッグ(du
Pont社の登録商標)にいったん収容した後、セル26
に供給することができる。セル26は有底のセルであっ
てもよく、フローセルであってもよい。

【0038】測定対象光学調整部3は、試料セル26中
に収められた試料11に試料用光束24sが照射されて
発生した散乱光から励起光と同じ波長成分を除去して蛍
光とラマン散乱光を含んだ測定対象光を取り出すフィル
タ手段14と、散乱光を分光器の入口スリット25に収
束させるようにビームを調整する光学系13,15とを
備えている。測定対象光学調整部3の出口位置には、測
定対象光学調整部3からの試料用光束24sと補正光学
調整部4から出射した補正用光束24rとを同一の光路
上に置く合波手段としてのハーフミラー16が設けられ
ている。

【0039】測定対象光学調整部3におけるフィルタ手
段14は、励起光波長をノッチ領域に含むホログラフィ
ック・ノッチ・フィルタ、又は励起光波長を含みそれよ
り短波長側を遮蔽するカットフィルタであることが望ま
しい。ホログラフィック・ノッチ・フィルタは、所望の
波長領域のみを遮蔽し、その他の領域の波長光を透過さ
せるものである。その遮蔽される領域(ノッチ領域)に
励起光波長が含まれたものを使用することで、測定対象
光学調整部3から出射する試料用光束24sは測定対象
光成分のみを含んだものとなる。

【0040】ホログラフィック・ノッチ・フィルタは例
えばKAISER OPTICAL SYSTEMS. INC.(アメリカ)から入
手することが出来る。ホログラフィック・ノッチ・フィ
ルタ14は、例えばノッチ領域に含まれる波長光を完全
に遮蔽し、ノッチ領域以外の波長領域の光は80%以上
を透過させる特性を持っている。

【0041】補正光学調整部4は、励起光源部1でハー
フミラー9により分割された補正用光束24rの光量を
減衰させる減衰フィルタ17と、光路を折り曲げるミラ
ー18を備えている。補正用光束24rは光源からの励
起光強度の変動によるスペクトル光強度の変動を補正す
るものであり、そのような補正を必要としない場合は、
光源部1でのハーフミラー9、補正光学調整部4及び合
波手段であるハーフミラー16は不要になる。補正用光
束24rは光源7からの励起光のみを含み、試料を経て
いないため、試料には依存せず、光源からの強度変動を
忠実に表したものとなる。

【0042】分光検出部5は、測定対象光学調整部3か
らの試料用光束24sと補正光学調整部4から出射した
補正用光束24rとをハーフミラー16から入口スリッ
ト25を経て取込み分光する分光器21と、その分光器
21により分光されたスペクトル光を検出する検出器2
0とを備えている。

【0043】分光検出部5は検出器20としてマルチチ
ャンネル光検出器を備え、測定しようとする波長領域を
同時に検出するポリクロメータであることが望ましい。
分光検出部5がポリクロメータであるときは、測定しよ
うとする波長領域を同時に検出することができ、所定領
域の測定対象光スペクトルと励起光とを同時に検出する
ことが出来る。その結果、測定対象光の各波長の検出時
間と励起光との検出時間に差が生じない。しかし、測定
対象光の各波長の検出時間と励起光との検出時間に差が
生じてもよい場合は、分光検出部5は分光器21として
波長走査型の分光器を備え、検出器20としてシングル
チャンネル光検出器を備え、測定しようとする波長領域
を順次検出するものであってもよい。

【0044】データ処理部6は、処理演算コントロール
部22と出力装置23を備え、分光検出部5の検出器2
0により検出された分光スペクトル中の励起光成分の検
出強度を基準にして測定対象光強度を補正する機能を有
する。

【0045】処理演算コントロール部22は各部の動作
を制御したり、分光検出部5が検出した信号をスペクト
ル解析や多変量解析などの処理を行い、分光検出部5に
より検出された分光スペクトル中の励起光成分の検出強
度を基準にして測定対象光の検出強度を補正するデータ
処理も行い、光源の変動が補正されたラマン散乱スペク
トルを演算したり、測定対象光強度から試料の定性や定
量も行う。出力装置23は処理演算コントロール部22
で処理されたデータを出力するプリンタやディスプレイ
などである。

【0046】この実施例の動作を説明すると、光源部1
からの試料用光束24sは、測定対象光学調整部3に配
置されたハーフミラー12で反射されて試料部2の試料
11に照射される。試料11からの散乱光は測定対象光
学調整部3を経て励起光と同じ波長成分が除去され、ハ
ーフミラー16を経て入口スリット25から分光器21
に入射する。一方、励起光源部1でハーフミラー9によ
り分割された補正用光束24rは、補正光学調整部4を
経て光量が調整され、ハーフミラー16を経て入口スリ
ット25から分光器21に入射する。補正用光束24r
により励起光強度の変動によるスペクトル光強度の変動
が補正されて、各成分のラマンスペクトル強度が検出さ
れる。

【0047】図2の測定装置は、入射光に対して、呼気
試料11からの散乱光の測定方向のなす角をθとする
と、本実施例では、θ=90°としているが、これに限
るものではなく、0°≦θ<360°であればよい。

【0048】上記に例示した測定装置により呼気中成分
の幾つかを測定した例を示す。図3は空気に含まれる酸
素、窒素及び水(水蒸気)のスペクトルを表したもので
ある。1561cm-1付近のピークは酸素ガス由来、2334c
m-1付近のピークは窒素ガス由来、3659cm-1付近のピ
ークは水蒸気由来のピークである。

【0049】図4はアセトンガスのスペクトルを表した
ものである。図5は図4のスペクトルのうち、2940cm
-1付近のピーク強度と濃度との相関関係を調べた結果で
ある。(1)式で与えられる相関係数R2は0.956であ
る。この結果から、本発明の方法では、呼気中成分程度
の低濃度ガスであってもピーク強度と濃度との間に直線
関係が得られることがわかる。各成分について、このよ
うなピーク強度(又はピーク面積)と濃度との相関関係
を予め測定しておくことにより、それを検量線として各
成分を定量できることが分かる。

【0050】図6から図15に、アセトアルデヒドガ
ス、アンモニアガス、イソプレンガス、イソ−酪酸ガ
ス、n−酪酸ガス、イソ−吉草酸ガス、n−吉草酸ガ
ス、プロピオン酸ガス、エタノールガス、及び二酸化炭
素ガス(大陽酸素株式会社製 99.9%高純度二酸化
炭素ガス)のそれぞれのラマンスペクトルを表す。

【0051】

【発明の効果】本発明は呼気検体に対しラマン励起光を
照射して各成分について予め選択された測定波長でのラ
マンスペクトルを測定するとともに、窒素のラマンスペ
クトル強度に対する各成分のラマンスペクトル強度比を
基にして各成分の濃度を求めるようにしたので、検体の
一定量を採取することが容易でない呼気の対しても各成
分濃度の絶対値を容易に測定することができるようにな
る。また、複数成分の濃度比を求めることによっても、
検体の一定量を採取することが容易でない呼気の対して
も複数成分の正確な濃度比を求めることができ、診断に
有効な指標を得ることができるようになる。そして、本
発明の測定方法は、呼気検体に対しラマン励起光を照射
するだけであるので、短時間で直接的に呼気中成分を定
量でき、消耗品も不要である。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の方法を適用する測定装置の概略を示す
ブロック図である。

【図2】図1のブロック図を詳細に表した具体的な装置
構成図である。

【図3】図3は酸素、窒素及び水蒸気のスペクトルを表
した図である。

【図4】図4はアセトンガスのスペクトルを表した図で
ある。

【図5】図5はアセトンガスの2940cm-1付近のピーク
強度と濃度との相関関係を示す図である。

【図6】図6はアセトアルデヒドガスのラマンスペクト
ルを表した図である。

【図7】図7はアンモニアガスのラマンスペクトルを表
した図である。

【図8】図8はイソプレンガスのラマンスペクトルを表
した図である。

【図9】図9はイソ−酪酸ガスのラマンスペクトルを表
した図である。

【図10】図10はn−酪酸ガスのラマンスペクトルを
表した図である。

【図11】図11はイソ−吉草酸ガスのラマンスペクト
ルを表した図である。

【図12】図12はn−吉草酸ガスのラマンスペクトル
を表した図である。

【図13】図13はプロピオン酸ガスのラマンスペクト
ルを表した図である。

【図14】図14はエタノールガスのラマンスペクトル
を表した図である。

【図15】図15は二酸化炭素ガスのラマンスペクトル
を表した図である。

【図16】図16は呼気中物質の定量測定に適したピー
ク位置を示した図表である。

【符号の説明】

1 光源部 2 試料部 3 測定対象光学調整部 4 補正光学調整部 5 分光検出部 6 データ処理部

フロントページの続き (72)発明者 王 かおる 京都府京都市南区東九条西明田町57番地 株式会社京都第一科学内 (72)発明者 島田 健太郎 京都府京都市南区東九条西明田町57番地 株式会社京都第一科学内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 呼気中の測定しようとする各成分につい
    て、その成分の濃度とラマンスペクトル強度の間の相関
    が良好な波長をその成分に固有の測定波長として予め選
    択し、 呼気検体に対しラマン励起光を照射し、窒素に固有の測
    定波長でのラマンスペクトルと、測定しようとする各成
    分についてのそれぞれ予め選択された前記測定波長での
    ラマンスペクトルを測定し、 窒素のラマンスペクトル強度に対する各成分のラマンス
    ペクトル強度比を求め、各成分についての窒素とのラマ
    ンスペクトル強度比と濃度について予め作成した検量線
    を用いて呼気中の各成分を定量分析する測定方法。
  2. 【請求項2】 呼気中の測定しようとする複数成分につ
    いて、各成分の濃度とラマンスペクトル強度の間の相関
    が良好な波長をその成分に固有の測定波長として予め選
    択し、 呼気検体に対しラマン励起光を照射し、その複数成分に
    ついてのそれぞれ予め選択された前記測定波長でのラマ
    ンスペクトルを測定し、 その複数成分のラマンスペクトル強度から、各成分につ
    いてラマンスペクトル強度と濃度について予め作成した
    検量線を用いてその複数成分の濃度比を求める測定方
    法。
  3. 【請求項3】 各成分の濃度とラマンスペクトル強度の
    間の相関が良好な波長は、相関係数R2が0.8以上、好
    ましくは0.9以上の波長である請求項1又は2に記載
    の測定方法。ただし、相関係数R2は次の式により算出
    される値である。 R2={Σ[(xi−X)(yi−Y)]}2/{[Σ(xi−X)2][Σ
    (yi−Y)2]} xi:各成分の各点の濃度 yi:xiに対するラマンスペクトル強度 X :各成分の濃度の平均値 Y :ラマンスペクトル強度の平均値
  4. 【請求項4】 測定しようとする呼気中の成分として、
    酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気、アセトン、アセトア
    ルデヒド、アンモニア、イソプレン、イソ−酪酸、n−
    酪酸、イソ−吉草酸、n−吉草酸、プロピオン酸及びエ
    タノールからなる群のうちの成分を含み、各成分の測定
    波長を波数で示すと、 酸素に対しては、1530〜1590cm-1付近から選択し、 窒素に対しては、2304〜2364cm-1付近から選択し、 二酸化炭素に対しては、1255〜1315cm-1付近又は1335
    〜1415cm-1付近から選択し、 アセトンに対しては、751〜811cm-1付近、1706〜1766
    cm-1付近、2680〜2740cm-1付近、2830〜2967cm-1
    付近又は2967〜3054cm-1付近から選択し、 アセトアルデヒドに対しては、488〜518cm-1付近、84
    1〜901cm-1付近、895〜955cm-1付近、1084〜1144c
    m-1付近、1369〜1468cm-1付近、1722〜1782cm-1
    近、2666〜2786cm-1付近、2786〜2890cm-1付近又は
    2906〜2966cm-1付近から選択し、 イソプレンに対しては、494〜585cm-1付近、751〜811
    cm-1付近、924〜1042cm-1付近、1047〜1107cm-1
    付近、1273〜1343cm-1付近、1358〜1463cm-1付近、
    1619〜1679cm-1付近、2715〜2775cm-1付近、2849〜
    2909cm-1付近、2896〜2975cm-1付近、2975〜3059c
    m-1付近、3074〜3144cm-1付近又は3466〜3526cm-1
    付近から選択し、 アンモニアに対しては、3198〜3258cm-1付近又は3315
    〜3375cm-1付近から選択し、 イソ−酪酸に対しては、1254〜1314cm-1付近、1357〜
    1417cm-1付近又は2871〜3018cm-1付近から選択し、 n−酪酸に対しては、2866〜2926cm-1付近、2951〜30
    11cm-1付近又は3011〜3067cm-1付近から選択し、 イソ−吉草酸に対しては、2829〜2889cm-1付近、2951
    〜3011cm-1付近又は3011〜3067cm-1付近から選択
    し、 n−吉草酸に対しては、2945〜3005cm-1付近又は3005
    〜3061cm-1付近から選択し、 プロピオン酸に対しては、2875〜2935cm-1付近又は29
    35〜2962cm-1付近から選択し、 エタノールに対しては、853〜913cm-1付近、2852〜29
    10cm-1付近、2910〜3008cm-1付近又は3630〜3690c
    m-1付近から選択する請求項1又は2に記載の測定方
    法。
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